Inżynierowie przeprowadzają „odbiór” instrumentu do obserwacji w średniej podczerwieni Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba w Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda należącym do NASA po opuszczeniu Wielkiej Brytanii.
Technicy pokładowi JPL Johnny Melendez (po prawej) i Joe Mora sprawdzają kriochłodnicę MIRI przed jej wysłaniem do Northrop Grumman w Redondo Beach w Kalifornii. Tam chłodnica zostaje przymocowana do korpusu teleskopu Webba.
Ta część instrumentu MIRI, widoczna w Appleton Laboratory w Rutherford w Wielkiej Brytanii, zawiera detektory podczerwieni. Kriochłodnica znajduje się z dala od detektora, ponieważ pracuje w wyższej temperaturze. Rurka transportująca zimny hel łączy obie sekcje.
MIRI (po lewej) stoi na belce równoważni w Northrop Grumman w Redondo Beach, podczas gdy inżynierowie przygotowują się do użycia suwnicy w celu przymocowania go do Zintegrowanego Modułu Instrumentów Naukowych (ISIM). ISIM to rdzeń teleskopu Webba, składający się z czterech instrumentów naukowych, w których umieszczono teleskop.
Zanim instrument MIRI — jeden z czterech instrumentów naukowych obserwatorium — będzie mógł działać, musi zostać schłodzony do temperatury zbliżonej do najniższej, jaką może osiągnąć materia.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA, którego start zaplanowano na 24 grudnia, jest największym obserwatorium kosmicznym w historii. Przed nim równie trudne zadanie: zbieranie światła podczerwonego z odległych zakątków wszechświata. Dzięki temu naukowcy będą mogli badać strukturę i pochodzenie wszechświata. Nasz wszechświat i nasze w nim miejsce.
Wiele obiektów kosmicznych — w tym gwiazdy i planety, a także gaz i pył, z których się składają — emituje światło podczerwone, czasami nazywane promieniowaniem cieplnym. Ale tak samo jest z większością innych ciepłych obiektów, takich jak tostery, ludzie i urządzenia elektroniczne. Oznacza to, że cztery podczerwone instrumenty Webba mogą wykrywać własne światło podczerwone. Aby zredukować tę emisję, instrument musi być bardzo zimny — około 40 kelwinów, czyli minus 388 stopni Fahrenheita (minus 233 stopnie Celsjusza). Jednak aby działać prawidłowo, detektory wewnątrz instrumentu średniej podczerwieni, lub MIRI, muszą stać się zimniejsze: poniżej 7 kelwinów (minus 448 stopni Fahrenheita, czyli minus 266 stopni Celsjusza).
To zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego (0 Kelvinów) – najniższa temperatura, jaka teoretycznie jest możliwa, choć fizycznie nigdy nie jest osiągalna, ponieważ oznacza całkowity brak ciepła. (Miri nie jest jednak najzimniejszym urządzeniem obrazowym działającym w kosmosie).
Temperatura jest w zasadzie miarą szybkości ruchu atomów. Oprócz wykrywania własnego światła podczerwonego, detektory Webba mogą być wyzwalane przez własne drgania termiczne. MIRI wykrywa światło w niższym zakresie energii niż pozostałe trzy instrumenty. W rezultacie jego detektory są bardziej wrażliwe na drgania termiczne. Te niepożądane sygnały są tym, co astronomowie nazywają „szumem” i mogą one zagłuszyć słabe sygnały, które Webb próbuje wykryć.
Po starcie Webb rozstawi osłonę wielkości kortu tenisowego, która ochroni MIRI i inne instrumenty przed ciepłem słonecznym, umożliwiając im pasywne chłodzenie. Począwszy od około 77 dni od startu, kriochiller MIRI będzie potrzebował 19 dni, aby obniżyć temperaturę detektorów instrumentu poniżej 7 kelwinów.
„Na Ziemi stosunkowo łatwo jest schłodzić rzeczy do takiej temperatury, często w zastosowaniach naukowych lub przemysłowych” — powiedział Konstantin Penanen, ekspert ds. kriochłodnic w Jet Propulsion Laboratory NASA w Południowej Kalifornii. , który zarządza instrumentem MIRI dla NASA. „Ale te systemy na Ziemi są bardzo duże i nieefektywne energetycznie. W przypadku obserwatorium kosmicznego potrzebujemy chłodnicy, która jest fizycznie kompaktowa, energooszczędna i musi być wysoce niezawodna, ponieważ nie możemy jej naprawić. Oto wyzwania, przed którymi stoimy. , w tym względzie powiedziałbym, że kriochłodnice MIRI są zdecydowanie na czele”.
Jednym z celów naukowych Webba jest badanie właściwości pierwszych gwiazd, które powstały we wszechświecie. Kamera bliskiej podczerwieni, czyli instrument NIRCam, będzie w stanie wykryć te niezwykle odległe obiekty, a MIRI pomoże naukowcom potwierdzić, że te słabe źródła światła są gromadami gwiazd pierwszej generacji, a nie gwiazdami drugiej generacji, które powstały później w ewolucji galaktyk.
Analizując obłoki pyłu grubsze niż w przypadku instrumentów działających w bliskiej podczerwieni, MIRI ujawni miejsca narodzin gwiazd. Wykryje również cząsteczki powszechnie występujące na Ziemi — takie jak woda, dwutlenek węgla i metan, a także cząsteczki minerałów skalistych, takich jak krzemiany — w chłodnym środowisku wokół pobliskich gwiazd, gdzie mogą tworzyć się planety. Instrumenty działające w bliskiej podczerwieni lepiej wykrywają te cząsteczki jako pary w cieplejszym środowisku, podczas gdy MIRI widzi je jako lód.
„Łącząc wiedzę fachową USA i Europy, stworzyliśmy MIRI jako siłę Webba, która umożliwi astronomom z całego świata znalezienie odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące tego, jak powstają i ewoluują gwiazdy, planety i galaktyki” — powiedziała Gillian Wright, współkierownik zespołu naukowego MIRI i europejski główny badacz instrumentu w brytyjskim Centrum Technologii Astronomicznej (UK ATC).
Kriochiller MIRI wykorzystuje hel — w ilości wystarczającej do napełnienia około dziewięciu balonów imprezowych — do odprowadzania ciepła z detektorów urządzenia. Dwa elektryczne kompresory pompują hel przez rurkę sięgającą do miejsca, w którym znajduje się detektor. Rurka przebiega przez blok metalu, który jest również przymocowany do detektora; schłodzony hel pochłania nadmiar ciepła z bloku, utrzymując temperaturę roboczą detektora poniżej 7 kelwinów. Podgrzany (ale nadal zimny) gaz wraca następnie do kompresora, gdzie wydala nadmiar ciepła, a cykl zaczyna się od nowa. Zasadniczo system jest podobny do tego stosowanego w domowych lodówkach i klimatyzatorach.
Rury transportujące hel są wykonane z pozłacanej stali nierdzewnej i mają średnicę mniejszą niż jedna dziesiąta cala (2,5 mm). Rozciągają się na około 30 stóp (10 metrów) od sprężarki znajdującej się w obszarze magistrali statku kosmicznego do detektora MIRI w elemencie teleskopu optycznego znajdującym się za głównym zwierciadłem obserwatorium o strukturze plastra miodu. Sprzęt zwany rozkładaną wieżą, lub DTA, łączy te dwa obszary. Po spakowaniu do startu DTA jest ściskany, trochę jak tłok, aby pomóc w zainstalowaniu złożonego obserwatorium w osłonie na szczycie rakiety. Po dotarciu w kosmos wieża rozłoży się, aby oddzielić magistralę statku kosmicznego o temperaturze pokojowej od chłodniejszych instrumentów teleskopu optycznego i umożliwić pełne rozłożenie osłony przeciwsłonecznej i teleskopu.
Animacja przedstawia idealne wykonanie rozłożenia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba kilka godzin i dni po starcie. Rozbudowa centralnej rozkładanej wieży zwiększy odległość między dwiema częściami MIRI. Są one połączone śrubowymi rurami wypełnionymi chłodzonym helem.
Jednak proces wydłużania wymaga wydłużenia rurki z helem za pomocą rozszerzalnego zespołu wieży. Rurka zwija się więc jak sprężyna, dlatego inżynierowie MIRI nazwali tę część rurki „Slinky” (ang. sprężynka).
„Praca nad systemem obejmującym wiele regionów obserwatorium wiąże się z pewnymi wyzwaniami” — powiedziała Analyn Schneider, kierownik programu JPL MIRI. „Tymi różnymi regionami zarządzają różne organizacje lub ośrodki, w tym Northrop Grumman i Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w USA. Musimy rozmawiać ze wszystkimi. Na teleskopie nie ma innego sprzętu, który by to robił, więc jest to wyzwanie wyjątkowe dla MIRI. To zdecydowanie długa droga krioochłodnic MIRI i jesteśmy gotowi zobaczyć to w kosmosie”.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zostanie wystrzelony w 2021 roku jako wiodące na świecie obserwatorium naukowe zajmujące się kosmosem. Teleskop Webba pozwoli na odkrycie tajemnic naszego Układu Słonecznego, przyjrzenie się odległym światom krążącym wokół innych gwiazd oraz zbadanie tajemniczych struktur i pochodzenia naszego wszechświata, a także naszego miejsca. Webb to międzynarodowa inicjatywa kierowana przez NASA i jej partnerów: ESA (Europejską Agencję Kosmiczną) oraz Kanadyjską Agencję Kosmiczną.
MIRI powstał dzięki partnerstwu NASA i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) w równych proporcjach. JPL kieruje amerykańskimi działaniami na rzecz MIRI, a w prace ESA zaangażowane jest międzynarodowe konsorcjum europejskich instytutów astronomicznych. George Rieke z University of Arizona jest kierownikiem amerykańskiego zespołu naukowego MIRI. Gillian Wright jest szefem europejskiego zespołu naukowego MIRI.
Alistair Glasse z ATC w Wielkiej Brytanii jest naukowcem zajmującym się instrumentami MIRI, a Michael Ressler jest naukowcem zajmującym się projektami w USA w JPL. Laszlo Tamas z ATC w Wielkiej Brytanii odpowiada za Unię Europejską. Opracowaniem kriochłodziarki MIRI kierował i zarządzał JPL we współpracy z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda należącym do NASA w Greenbelt w stanie Maryland oraz Northrop Grumman w Redondo Beach w Kalifornii.